谈吸收式热泵余热回收技术的节能效果及应用

吉连生

(山西西山热电有限责任公司，山西太原 030022)

近年来，全国已有近30个火力发电厂采用吸收式热泵技术，进行火力发电厂汽机冷端余热回收利用，提高了向城市提供采暖的供热能力。在“十二五”期间内，将是现有火力发电厂汽机冷端余热回收利用工程改造的大发展阶段。今后，热电联产机组汽机冷端余热利用将会纳入工程整体设计考虑之内，从而提高机组整体的综合热能利用效率。对此，本文以山西西山热电有限责任公司(以下简称“西山热电”)大热网供热系统为例，提出了对3台50MW空冷单抽汽凝汽式汽轮机冷端余热回收利用的改造措施。

1 系统概况及存在的问题

西山热电现装机容量为3×50MW抽凝式供热机组及3×220t/h燃煤循环流化床锅炉，担负着西山(前山)矿区的集中供热任务，设计最大供热面积350万m2，最大供热负荷为177MW。随着西山地区规划和发展，住宅面积不断增大，到2012年～2015年总供热面积将达到498.5万m2。作为西山(前山)矿区集中供热的唯一热源点，西山热电供热能力已经达到极限，供热安全保障性降低，提升西山热电的稳定供热能力已成为当务之急。

2 解决措施

首先，对集中供热主热源的西山热电厂而言，存在两个关键问题有待解决:1)汽轮机抽汽在加热一次网回水的过程中存在很大的传热温差，造成巨大的传热不可逆损失。2)热电厂供热机组大量的汽轮机冷端余热通过空冷岛排放到大气中，不仅造成占燃料燃烧总发热量的20%热量损失，而且影响了局部的环境质量。如将这部分余热回收用于城市采暖供热，相当于在不增加电厂容量，不增加一次能源消耗，而且也不影响机组发电量的情况下，扩大了热源的供热能力，为集中供热系统增加了热量，提高了电厂能源的综合利用效率，同时对于水冷系统而言还可节约水资源。其次，通过在电厂热网加热首站和二级热力站分别安装吸收式热泵，用于替代常规的水—水换热器，不仅构建了一种梯级加热的新型的集中供热系统，而且在不改变二次网供回水温度的前提下，降低一次网回水温度至25℃左右，较常规的热网输送温差提高了近一倍，从而大大提高了热网的供热能力。由此大幅度的降低了热网投资和运行费用;以汽轮机的采暖蒸汽驱动回收汽轮机排汽余热，使热网低温回水实现了与汽轮机排汽的能级匹配，从而使热电联产集中供热系统的能耗大幅度降低。

西山热电冷凝热回收利用改造工程是在主管网不变的前提下改造，改造后，在不影响原供热能力的前提下，西山热电可新增供热能力110MW，总供热能力达到300MW，供热面积可达到520万m2～550万m2。其改造包括两部分，即西山热电厂内部分和西山热电厂外部分。

西山热电厂内部分:1)新建3台与汽轮发电机组一对一分别配置的60MW热泵机组，在排汽总管DN3000上开洞，引出1根DN2500的管道，与热泵连接;从现有DN1400抽汽母管上引出3根DN500管道作为驱动热源接至3台热泵机组;热网回水先进入热泵机组，温度由35℃提升到87℃后进入现有的热网加热器(供热初期、末期，热网加热器可不投入运行，只投热泵机组即可满足供热要求);凝结水则通过凝结水泵排入空冷岛凝结水管，进入现有系统。2)新建相应的热网供回水管道、补充水管道、抽汽管道、疏水管道、排汽管道、冷凝水管道、380V厂用电系统、控制系统、相关的建构物及附属设备基础和管道支架结构等。3)本改造项目用电负荷197.5kW，可从空冷岛380V/220V厂用系统引接电源。热泵机组本体采用独立的PLC系统控制，其他系统采用远程IO站的形式接入原有热网DCS系统。

西山热电厂外部分:1)新建6个热力站(4个吸收式热力站，2个常规热力站，需6MW～20MW热泵25台)，在新建热力站安装吸收式热泵机组，可降低回水温度，并考虑了负荷发展的需要，室内预留了足够的空间。2)改造了已有的13个热力站，相应改造了供电与控制系统、泵房结构等。本次冷凝热回收利用改造项目所使用的热泵机组是一种以热源(蒸汽、高温热水、燃油、燃气)为动力、溴化锂溶液为吸收剂、水为制冷剂，利用低温热源(乏汽)的热能，制取所需要的工艺或采暖用高温热媒水，实现从低温向高温输送热能的设备。工作原理如图1所示。

热泵机组包括蒸发器、吸收器、发生器、冷凝器、热交换器和凝水换热器等主要部件及抽气装置、屏蔽泵(溶液泵和冷剂泵)等辅助部分。抽气装置抽除了机组内的空气等不凝性气体，并保持机组内一直处于高真空状态。

冷剂泵将冷剂水液囊中的冷剂水抽出并喷淋在蒸发器中的传热管表面，吸收流经传热管内乏汽的热量，汽化成冷剂蒸汽，乏汽在放出热量后凝结并流出机组;吸收乏汽热量后产生的冷剂蒸汽流入吸收器，被吸收器顶部淋下的溴化锂浓溶液吸收。溴化锂浓溶液在吸收冷剂蒸汽时放出冷剂蒸汽的凝结热，加热流经吸收器传热管内的热媒水，使其温度升高后流出吸收器;溴化锂浓溶液在吸收冷剂蒸汽后浓度越来越低，汇集在吸收器底部，被溶液泵抽出，经热交换器升温后进入发生器，在发生器中被蒸汽加热浓缩，分离出冷剂蒸汽。浓溶液经热交换器传热管间与溴化锂稀溶液进行热量交换后流回吸收器，继续吸收蒸发器中产生的冷剂蒸汽;而发生器中产生的高温冷剂蒸汽流入冷凝器内，加热流经冷凝器传热管内的热媒水，使其温度继续升高后流出机组供用户使用，同时冷剂蒸汽放出热量后冷凝成冷剂水，经U形管进入蒸发器。因蒸发器中压力较低，进入蒸发器的冷剂水一部分闪发成冷剂蒸汽，另一部分冷剂水则因热量被散发的那一部分带走而降温成饱和温度的冷剂水，流入蒸发器底部液囊。上述过程不断循环进行，即可不断地回收乏汽热量并制取所需温度的热媒水。可见吸收式热泵供热量始终大于消耗的高品位热源的热量，具有较显著的节能优势。

通过分析、论证西山热电冷凝热回收利用双侧改造方案，总结得出:吸收式热泵余热回收技术应用较为广泛。

2012年7 月～11月，对西山热电厂内大热网系统进行了改造，3台汽轮发电机组分别配置1套60MW热泵机组和1套前置凝汽器，型号为:XRI 1.8-20-3453(55/85.7)型、SLH20-290-36型，在实际生产运行过程中，通过控制每台热泵乏汽进汽量，调整所对应的驱动汽源量，以达到调整大热网供水温度，满足西山矿区(前山)热用户的需求，收到了很好的安全和经济效益。

3 改造效果

从经济角度分析，该改造项目年供热收入6385万元，平均新增总成本费用1165.33万元，年增值税830万元，平均实现利润4389.62万元，平均所得税 1097.41万元，年平均税后利润3292.21万元，总投资收益率25.12%，投资回收期3.98年。该改造项目实施后，可回收汽轮机乏汽180t/h，回收乏汽功率约110MW，实现乏汽供热量约127.7万GJ/车，与集中燃煤供热锅炉(供热效率80%)相比，相当于节约5.4236万t/年。同时具有显著的节能环保效益，可减排CO211.69万t，SO20.448万t，NOX0.331万t，灰渣量1.61万t。另外，在热泵的运行过程中也无各种废水排放，系统中未增加大型转动设备，因此也不会增加噪声污染。

4 结语

本改造项目以解决民生问题为出发点，利用电厂大量乏汽余热为城市集中供热，回收乏汽余热对提高城市集中供热普及率，减轻政府每年在供热上的财政负担及在供热方面的扩容压力，加快太原市向绿色宜居城市的转型步伐具有非常重要的意义。本改造项目实施后节能效果、环境效益和社会效益显著，可以改善太原市空气环境，提高市民生活质量。本改造项目采用基于吸收式热泵回收电厂乏汽余热，为太原市集中供热两年全覆盖提供有效支撑。项目实施后在太原市将形成乏汽余热集中供热的清洁能源和可再生能源示范区域，为城市集中供热开辟新的热源途径。

［1］张 昌.热泵技术与应用［M］.北京:机械工业出版社，2012.

［2］陈 坚.热能动力基础［M］.北京:机械工业出版社，2006.

［3］袁东立.水源热泵设计图集［M］.北京:中国建筑工业出版社，2006.

［4］顾文卿.热泵生产新工艺、节能新技术与热泵系统创新设计、科学应用、性能测检及国内外标准实用手册［M］.北京:科学出版社，2007.

［5］DL/T 5000-2000，火力发电厂设计技术规程［S］.